ALS70激光点云检校流程

肖永飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)

ALS70是一个复杂的集成系统,其精度受到系统内各个组成部分的共同影响,系统的误差来源很多,也很复杂。大多数硬件误差出厂前已进行了校正,并向用户提供了有关参数。但还有一些误差如照准误差、高程偏移等,需要用户根据检校场的检校飞行并利用激光点云数据检校自行得到。

1 照准误差的检校

照准误差指IMU系统与激光测距仪之间的角度安置误差,它是飞行高度和飞行方向的函数,该误差随着时间的推移而逐渐变化,必须从采集的数据中才能得到检查和消除。照准误差包括侧滚角(Roll)、俯仰角(Pitch)和航偏角(Heading)3个方向上的误差。因此,照准误差的检校即指Roll、Pitch、Heading的检校。

1.1 Roll检校

Roll视准轴偏差定义了IMU和激光发射器之间在X轴方向上的偏差,单位是弧度。任何扫描镜编码器的误差也包含在Roll误差中。Roll的误差使得激光数据在航线条带的一侧上升,另一侧下降。检校方法如下：

(1) 选择同一航高的两条对飞航线,在ALS Post Processor中将Roll设置为0(这会使Roll误差最明显),Pitch和Heading也都设置为0。然后输出点云文件(如图1所示)。

图1 ALS PP中R/P/H参数的设置

(2)在TerraScan中读入点云数据并按航线显示,查找垂直于航线方向的平坦道路并沿道路绘制断面(如图2所示)。

图2 侧滚误差对点云数据的影响(一侧上升,另一侧下降)

分别在断面的最左端和最右段量测两条航线的偏离值h1、h2及航线宽度Width。并使用如下公式计算Roll(如图3所示)

图3 侧滚误差计算公式示意

(3)将Roll带入,重新计算点云数据并导入,并用上面的方法查看检校后的数据,如果差值很小了就开始后面的检校,否则再进行一次Roll检校。

注：在没有进行Pitch及Heading检校前,对Roll进行两次检校就够了,随着Pitch及Heading的检校,Roll还得不断微调(如图4所示)。

图4 Roll误差消除后的点云数据

1.2 Pitch检校

Pitch视准轴偏差定义了IMU和激光发射器之间在Y轴方向上的偏差,单位是弧度。Pitch误差使得数据沿航线方向前后移动,在平地上表现不明显。检校方法如下：

①选择同一航高的两条对飞航线,在ALS Post Processor中Roll使用上面的检校值,将Pitch和Heading设置为0,然后输出点云文件。

②在TerraScan中读入点云数据并按航线显示,在航线中心位置附近沿航线方向选择有坡度变化的地方(如尖顶房)绘制断面(如图5所示)。

图5 Pitch误差对点云数据的影响(沿航线方向)

③选择特征明显的地方,量测两条航线的前后偏移量,可以多量测几个地方然后取平均值AverM,假设两条航线高度的平均值为AverH,则Pitch=AverM/2/AverH；

④在ALS Post Processor将以上的Roll、Pitch值输入,重新计算点云数据并导入TerraScan查看Pitch的改正情况,如果误差还需改正,则按上述方法再来一次,然后将两次Pitch误差累加。

⑤由于点云数据经过了Pitch改正,查看此项改正对Roll的影响,如有必要,需对Roll进行改正,然后将新的改正值与原先的改正值累加。完成后进入Heading检校(如图6所示)。

图6 Pitch误差消除后点云数据

1.3 Heading检校

Heading视准轴偏差定义了IMU和激光发射器之间在Z轴方向上的偏差, 单位是弧度。Heading 的旋转使点云数据向左或向右偏移,在航线条带中部没有heading的误差影响且Heading误差在平面地物上表现不明显。检校方法如下：

①选择同一航高的两条平行航线(重叠度约60%),在ALS Post Processor中Roll、Pitch使用上面的检校值,将Heading设置为0,输出点云数据。

②在TerraScan中读入点云数据并按航线显示, 在其中一条航线的边缘即另一条航线的中心位置沿航线方向绘制断面(如图7所示)。

图7 Heading误差对点云数据的影响(沿航线方向)

③选择特征明显的地方,量测两条航线的前后偏移量,可以多量测几个地方然后取平均值AverM,Heading=AverM/Width,其中Width表量测AverM的地方到低点的距离。 Heading的正确解算需要重复迭代多次。

完成Heading的检校后,还需要再次查看Roll和Pitch,然后再做些微调(如图8所示)。

图8 Heading误差消除后点云数据

2 Range offset距离检校

距离检校主要是为了补偿激光扫描仪中电子器件延迟所产生的误差。这个误差一般是一个常数。检校方法如下：

①首先在ALS Post Processor中将Minimum Angle to Process设置为-7,Maximum Angle to Process设置为7,输入检校完成的Roll、Pitch及Heading值。然后重新输出点云(如图9所示)。

图9 ALS PP中扫描角度的设置

②将点云导入到TerraScan中,并用TerraScan/Tools/Output control report,选择地面控制点作为已知点(如图10所示)。

注：dz为正值，表示激光点高程大于外控点高程,需降低激光点高程,同样,dz为负值，表示激光点高程小于外控点高程,需抬高激光点高程。

③记录Average dz值,将其累加到ALS Post Processor距离改正的Range1上。Range 1的正值表示将激光测距仪测量的距离值增加,负值表示将激光测距仪测量的距离减小。本例中dz为正值，表示需对激光点距离整体延长以降低激光点云数据的高程(如图11所示)。

图11 ALS PP中距离改正

再次产生新的点云数据并运行TerraScan /Tools/Output control report,此时Average dz应接近于0，本例中为-3 mm,如图12所示。

图12 经过距离检校后的精度报告

3 Elevation Offset高程偏移的检校

高程偏移指的是激光点测量高程于地面实际高程的偏移值。主要来源于3个方面：IMU于激光发射器之间的垂直偏差、GPS偏心分量的垂直偏差以及导航数据的垂直偏差。前两项偏差在检校场进行距离检校的时候已经消除,而导航数据的垂直偏差和飞行时的GPS定位精度直接相关，需利用测区地面控制点对其进行检校。

(1)载入测区激光点云数据到TerraScan中。运行TerraScan /Tools/Output control report,选择地面控制点作为已知点。记录Average dz值。

(2)修改激光点云的高程可以在TerraScan中通过宏命令直接修改,也可以在ALS PP中修改。

方法1：在TerraScan中利用宏命令对所有的点云数据进行高程偏移(如图13所示)。

图13 高程偏移设置

抬高激光点云高程时Dz设置为正值,降低激光点云高程时Dz设置负值。

方法2：运行ALS Post Processor,设置Elevation Offset参数输出点云(如图14所示)。

图14 ALS PP中高程改正

正值抬高激光点高程,负值降低激光点高程。完成后再将点云数据导入TerraScan中查看。

高程检校和距离检校不同,高程检校是将激光点高程整体抬高或降低一个常量,而距离检校是延长或缩短激光测距仪量测的距离,当然距离检校也会对高程产生影响；距离检校是在检校场进行检校,而高程检校是在测区利用地面控制点进行，在进行高程检校之前必须先完成距离检校。

4 结束语

ALS70系统的检校和ALS60相比,检校的参数及方法都有所改变,如在ALS70系统中不再需要对Torsion进行检校,在距离检校时也只是对Range1进行了检校。以上内容仅包含了常规ALS70项目点云的检校流程,另外的一些检校参数由于其对点云数据的影响较小(如Pitch Error Slope)而没有列出。总之,好的数据精度依赖于高精度的检校参数,而高精度的检校参数需要高精度的航线解算结果,因为所有LiDAR数据计算都以航线数据为基础。因此,对于检校飞行来说,制定一个好的工作计划尤为重要。

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